2000KN四柱式通用液壓機設計,2000KN四柱式通用液壓機設計,kn,四柱式,通用,液壓機,設計 機電工程系本科畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文）題目：2000KN四柱式通用液壓機設計與計算 專 業(yè)： 機械設計制作及其自動化 指導教師： xx 學生姓名： xx 學 號： xxx 畢業(yè)時間： 齊齊哈爾工程學院教務處制 II 目 錄 摘 要 V Abstract VI 第1章 緒論 1 1.1 課題背景及目的與意義 1 1.2 液壓機的發(fā)展概況 1 1.2.1 液壓機在現代工業(yè)中的地位 1 1.2.2 我國液壓機的現狀及發(fā)展趨勢 1 1.2.3 國外液壓機的發(fā)展狀況 2 1.2.4 液壓機的總體發(fā)展趨勢 3 1.3 液壓機的工作原理和結構特點 3 1.3.1 液壓機的工作原理 3 1.3.2 液壓機的特點 5 1.4 液壓機的分類 6 1.5 本章小結 6 第2章 液壓機本體結構設計 7 2.1 液壓機的結構特點及設計參數 7 2.1.1 液壓機本體結構特點 7 2.1.2 2000KN液壓機的設計參數 7 2.2 上橫梁結構的設計 8 2.2.1 結構形式 8 2.2.2 形狀尺寸要求 9 2.2.3 上橫梁與工作缸的聯接方式 10 2.3 工作臺結構的設計 11 2.3.1 結構形式 11 2.3.2 加工技術要求 11 2.3.3 工作臺與頂出缸的聯接方式 12 2.3.4 固定模具的結構 12 2.4 立柱 14 2.4.1 結構形式 14 2.4.2 形狀尺寸要求 15 2.5 充液閥 15 2.5.1 充液閥工作原理 16 2.5.2 充液閥的結構形式 17 2.6 工作缸 17 2.6.1 結構形式 17 2.6.2 設計尺寸 18 2.7 活動橫梁結構的設計 22 2.7.1 結構形式 22 2.7.2 加工技術要求 22 2.7.3 形狀和尺寸要求 23 2.8 本章小結 23 第3章 液壓機的強度與剛度計算 24 3.1 工作缸的強度計算 24 3.1.1 缸體的強度計算 24 3.1.2 缸口部分的強度計算 27 3.2 活塞部分的強度計算 29 3.2.1 活塞頭部導向套計算 29 3.2.2 活塞頭部鎖母螺紋應力計算 30 3.2.3 活塞與活動橫梁端面擠壓應力 31 3.2.4 活塞與活動橫梁聯接螺母計算 32 3.3 上橫梁結構的強度與剛度計算 33 3.3.1 受力分析 33 3.3.2 主截面（Ⅰ—Ⅰ）強度計算 33 3.3.3 主截面（Ⅱ—Ⅱ）強度計算 35 3.4 本章小結 36 附錄一 四柱式萬能液壓機精度（JB1293-73） 37 附錄二 常用資料及數據 40 附錄三 普通公制螺紋的螺栓、螺釘及雙頭螺栓的許用應力 41 結 論 42 致 謝 43 參考文獻 44 45 摘 要 作為世界加工中心,我國機械工業(yè)在國民經濟中的基礎作用越來越明顯。液壓機技術水平的高低直接影響到國家機械工業(yè)的發(fā)展水平。四柱式通用液壓機是液壓機產品的一個重要組成部分,擁有自主的液壓機設計技術是使國家機械工業(yè)能在世界競爭中取勝的重要保證,對其展開研究有重要的理論和實際意義。 本文完成了2000KN四柱式通用液壓機本體的設計,并采用二維制圖軟件AutoCAD對其進行研究。論文提出了2000KN四柱式通用液壓機的技術參數,擬定了機器的結構形式，著重對工作缸做了結構設計和數據計算，對液壓機工作缸柱塞和活動橫梁的結構連接以及回程部分進行了簡要設計。根據液壓機設計理論完成了整體機架結構及主要結構部件的設計與理論計算并詳細討論了該機器的預緊問題。對液壓機本體的總體結構和的關鍵部件進行了強度計算與分析,主要內容包括:結構中應力集中情況分析,初始設計方案修正,最終獲得了滿足強度和剛度要求的機架設計。最后利用AutoCAD軟件對2000KN四柱式通用液壓機總裝配圖及主要零部件進行了設計，完成了液壓機的整體結構設計。 關鍵詞：液壓機 工作缸 強度 Abstract As the world machining center,the engineering industry of our country plays a more and more evident role in national conomical construction. The technical level of hydraulic press will directly affect the level of development of the engineering industry.the four column hydraulic press is an important component of the hydraulic press product,devoted to a study on it has a great theoretical and practical significance.The first part briefly introduced mould industry and the current situation in the future. Mentioned the factors restricting the development of mold. The second part of a process of the workpiece analysis, mold design package. According to plastic mold design manual and the relevant experience of the formula necessary, according to results of the injection machine used. Further completion of the standard and non-standard choice of the design. Part III completion of the general assenbly drawing and the main detail drawing,completion of the entire structure of hydraulic press. . Key words： Hydraulic Press;Slave Cylinder;Strength Calculation 第1章 緒論 1.1 課題背景及目的與意義 通過2000KN四柱式通用液壓機設計與計算，了解液壓機的結構與工作原理，掌握液壓機的設計計算步驟，以及液壓缸和橫梁的設計與計算方法。 1.2 液壓機的發(fā)展概況 1.2.1 液壓機在現代工業(yè)中的地位 流體傳動與控制技術的主要代表液壓技術自上世紀初面世以來，即“融合”到裝備制造業(yè)中，成為其一個十分重要的基礎領域，同時，液壓技術將裝備制造業(yè)作為其主要的應用領域，曾經引領著裝備制造業(yè)一系列的技術進步。因此液壓技術對裝備制造業(yè)而言，從來就有著較強的推動和影響作用，對裝備制造業(yè)等諸多領域有著前置和后置效應，扮演著重要而關鍵的角色。21世紀初，中國裝備制造業(yè)得益于國民經濟持續(xù)發(fā)展的歷史機遇，在諸多領域取得了重要的發(fā)展和技術進步，其中中國液壓技術也扮演了重要的角色，并反映了它與時俱進的技術進步。 液壓機是利用液壓傳動技術進行壓力加工的設備。它與機械壓力機相比，具有壓力和速度可在廣泛的范圍內無級調整，可在任意位置輸出全部功率和保持所需壓力，結構布局靈活，各執(zhí)行機構動作可很方便地達到所希望的配合關系等等很多優(yōu)點。同時液壓元件具有高度的通用化、標準化特點，設計及制造均較為簡單，所以液壓機在國民經濟各部門得到了日益廣泛的應用。 1.2.2 我國液壓機的現狀及發(fā)展趨勢 1.2.2.1 我國液壓機的現狀 我國金屬塑性成型設備經半個多世紀的發(fā)展，已經從只能生產單機（諸如各種普通、專用壓力機、液壓機、鍛錘）發(fā)展到能夠生產裝備機械化、半自動化和自動化鍛壓生產線，大中型鍛壓機和具有各種特殊功能的先進特種金屬塑性成型設備。在引進國際先進技術和合作生產的基礎上，極大地提高了金屬塑性成型設備的設計開發(fā)能力和制造水平。近年來，隨著我國以汽車為龍頭的制造業(yè)的飛速發(fā)展，大大刺激了塑性加工的技術進步，新興的金屬塑性成型裝備可確保通用產品的性能、質量和可靠性。國產大型精密高效的成套設備、自動化生產線、FMC、FMS等高新技術、高附加值的金屬塑性成型生產設備正在裝配著我國的制造業(yè)。到目前為止，國產金屬塑性成型設備產品已有一千多種。 1.2.2.2 發(fā)展趨勢 1.板材加工設備 進入21世紀，我國的汽車制造業(yè)飛速發(fā)展，面對這一形勢，我國的板材加工工藝及設備有了長足的發(fā)展。 （1）重型機械壓力機及覆蓋件生產線、大型多工位壓力機 ①單機連線自動化沖壓生產線；②大型多工位壓力機 （2）數控板沖、剪、折機床及柔性加工生產線 ①數控沖床；②數控沖剪復合機及柔性加工線；③數控折彎機 （3）板材無模多點成形壓力機 （4）高速壓力機 （5）數控激光切割機 2.大重型鍛造裝備 （1）水鍛機 （2）熱模鍛壓力機 （3）大噸位螺旋壓力機 （4）大型彎曲校正設備 3.特種鍛造設備 （1）特種軋制設備 ①輥鍛機；②楔橫軋機；③數控輾環(huán)機 （2）擺動輾壓機 （3）冷擠壓機 （4）數控彎管機 1.2.3 國外液壓機的發(fā)展狀況 美國、德國、日本的汽車工業(yè)如此發(fā)達，得益于其塑性加工技術及裝備的領先地位。當前的世界塑性加工技術及裝備向以下幾個方面發(fā)展： 1.金屬塑性成型設備及自動化 （1）冷沖壓設備 ①單機聯線自動化；②大型多工位壓力機 （2）鍛造設備 2.高速化復合化相結合，提高設備加工效率 在追求高速化加工的同時，還必須盡可能縮短生產輔助時間，以取得良好的技術經濟效益。在數控壓機上配備伺服電機驅動的三坐標上下料裝置，可使沖壓中心實現高效板材加工。 3.設備控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 具有現場通信網絡、現場設備互聯、互動操作性、分散功能模塊、開放式互聯網絡的現場總線技術，是壓力機控制技術的發(fā)展方向，對實現自動化具有明顯的推動作用。 4.注重環(huán)境保是當今世界性的潮流 許多國外技術塑性成型設備愈來愈重視環(huán)保問題，如在數控轉塔壓力機上，工作臺普遍采用柔性的尼龍刷支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾珠支撐，以減少噪聲污染；變速壓機實現快速下降，慢速沖裁工件，快速回程，使振動和噪聲大大降低。特別是歐洲市場，已基本貫徹ISO14000系列標準，金屬塑性成型設備必須通過CE認證。 1.2.4 液壓機的總體發(fā)展趨勢 液壓機是材料成型設備中的重要一員，在現代化工業(yè)生產中有著舉足輕重的地位，其發(fā)展趨勢也倍受關注。 20世紀60年代以后，金屬塑性成型設備改變了從19世紀開始的向重型和大型方向發(fā)展的趨勢，轉而向高速、高效、自動、精密、專用、多品種生產等方向發(fā)展。各種機械控制的、數字控制的和計算機控制的自動鍛壓機械以及與之配套的操作機、機械手和工業(yè)機器人也相繼研制成功?，F代化的金屬塑性成型機械科產生精確制品，有良好的勞動條件，對環(huán)境污染很小。 1.3 液壓機的工作原理和結構特點 1.3.1 液壓機的工作原理 液壓機是一種以液體為介質用來傳遞能量以實現多種鍛壓工藝的機器。 液壓機是根據帕斯卡原理制成，其工作原理如圖1-1所示。兩個充滿液體具有柱塞的封閉容腔由管道相連通，當柱塞1上作用有力P1時，液體的壓強為p=P1/A1,A1為柱塞1的橫截面積。根據帕斯卡原理：在密閉容器中液體壓力在各個方向上完全相等，壓強p將傳遞到容腔內的每一個點，大柱塞2上將產生向上的作用力P2，使工件3變形，且 P2=P1(A2/A1) 式中A2—柱塞2的橫截面積。 液壓機一般由本體（主機）及液壓系統(tǒng)兩部分組成。 圖1-1 液壓機工作原理 圖1-2 液壓機本體結構圖 1-小柱塞 2-大柱塞 3-工件 1-上橫梁2-立柱3-下橫梁4-回程缸5工件 6-回程柱塞7-活動橫梁8-工作柱塞9-工作缸 最常見的液壓機本體結構見圖如圖1-2所示。它由上橫梁1，下橫梁3，四個立柱2和16個內外螺母組成一個封閉框架，框架承受全部工作載荷。工作缸9固定在上橫梁1上，工作缸內裝有工作柱塞8，它與活動橫梁7相連接，活動橫梁以4根立柱為導向，在上、下橫梁之間往復運動，活動橫梁下表面一般固定有上模，而下模則固定于下橫梁3的工作臺上。當高壓液體進入工作缸并作用于工作柱塞上時，產生了很大的作用力，推動柱塞，活動橫梁及上模向下運動，使工件5在上、下模之間產生塑性變形?；爻虝r，工作缸通低壓液體，高壓液體進入回程缸，推動回程活塞6及活動橫梁向上運動，回到原始位置，完成一個工作循環(huán)。 液壓機的工作循環(huán)一般包括停止、沖液行程、工作行程及回程。上述的不同行程是由操縱系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)中各種功能的閥門動作來實現的。 液壓機的液壓系統(tǒng)包括各種高低壓泵、高低壓容器（油箱、沖液罐、蓄勢器等）、閥門及相應的連接管道等。其傳動方式可分為泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動兩種。 1.3.2 液壓機的特點 與其他鍛壓設備相比，液壓機具有以下特點： （1） 基于液壓傳動的原理，執(zhí)行元件（缸及柱塞或活塞）結構簡單。結構上易于實現很大的作用力，較大的空間及較長的行程，因此適應性強，便于壓制大型工件或較長較高的工件。 （2） 在行程的任何位置均可產生壓力機額定的最大壓力。可以在下轉點長時間保壓，這對許多工藝是十分需要的。 （3） 可以用簡單的方法（各種閥門）在一個工作循環(huán)中調壓或限壓，而不至超載，容易保護各種模具。 （4） 滑塊（活動橫梁）的總行程可以在一定范圍內任意地無級地改變，滑塊行程的下轉點可以根據壓力或行程的位置來控制或改變。 （5） 滑塊速度可在一定范圍內進行調節(jié)，以適應工藝過程對滑塊速度的不同要求。用泵直接傳動時，滑塊速度的調節(jié)與壓力及行程無關。 （6） 與鍛錘相比，工作平穩(wěn)，撞擊、振動和噪聲較??；對工人健康、廠房基礎、周圍環(huán)境及設備本身都有很大好處。 液壓機缺點： （1） 用泵直接傳動時，安裝功率比相應的機械壓力機大。 （2） 由于工作缸內升壓及降壓都需要一定時間，閥的換向時間較長以及空程速度不夠高，因此在快速性方面不如機械壓力機，故高速沖壓自動機仍以機械壓力機為主。近年來液壓機在快速性方面已有不少改進。 （3） 由于液體具有可壓縮性，如卸載時瞬時釋放能量，會引起振動（壓機本體或系統(tǒng)），因此不太適合于沖裁、剪切等工藝。 （4） 工作液體有一定使用壽命，到一定時間應更換。 1.4 液壓機的分類 液壓機有如下幾種分類方法： （1） 按傳遞壓強的液體種類分類 可分為油壓機和水壓機兩大類。 （2） 按機身結構形式分類 可分為梁柱式（如三梁四柱式）、單臂式（C型）、框架式和臥式等。 （3） 按工藝用途分類 可分為如下幾種： ①鍛造液壓機 用于自由鍛造、鋼錠開坯以及有色與黑色金屬模鍛； ②沖壓液壓機 用于各種板材沖壓，其中有單動、雙動等結構形式； ③一般用途液壓機 如各種萬能式通用液壓機； ④校正壓裝液壓機 用于零件校形及裝配； ⑤層壓液壓機 用于膠合板、刨花板、纖維板、絕緣材料板、等的壓制； ⑥擠壓液壓機 用于各種有色金屬和黑色金屬的線材、管材、棒材及型材擠壓； ⑦壓制液壓機 用于粉末冶金、塑料制品壓制成型； ⑧打包、壓塊液壓機 用于將金屬切屑及廢料的壓塊與打包； ⑨手動液壓機 一般為小型液壓機，用于試壓、壓裝等要求力量不大的手工工序； ⑩其他液壓機 （4） 按活動橫梁的運動方式分類 可分為：①上壓式液壓機；②正裝式液壓機；③下拉式液壓機 （5） 按傳動形式分類 可分為：①泵直接傳動液壓機；②泵-蓄勢器傳動液壓機。 1.5 本章小結 本章主要簡介液壓機在現代工業(yè)中的地位及其在國內外的總體發(fā)展趨勢，以及目前的發(fā)展水平，并介紹液壓機的特點、分類及其工作原理。 第2章 液壓機本體結構設計 2.1 液壓機的結構特點及設計參數 液壓機的本體是液壓機的兩大組成部分之一，一般由機架、液壓缸部件，運動部分及其導向裝置所組成。 2.1.1 液壓機本體結構特點 液壓機本體結構最顯著的特點是工作空間寬敞、便于四面觀察和接近模具。整機結構簡單，工藝性較好，但立柱需要大型圓鋼或鍛件。 液壓機最大的缺點是承受偏心載荷能力較差，最大載荷下偏心距一般為跨度（即左右方向的中心距）的百分之三左右；由于立柱剛度較差，在偏載下活動橫梁與工作臺間易產生傾斜和水平位移；同時立柱導向面磨損后不能調整和補償。這些缺點在一定程度上限制了它的應用范圍。 2.1.2 2000KN液壓機的設計參數 主要技術規(guī)格是表述機器工作性能的指標。通常包括以下部分：第一，主要規(guī)格，又稱主參數，它是表示液壓機主要特性的參數。第二，各執(zhí)行機構各工藝動作的壓力。第三，工作空間，包括各執(zhí)行機構固定模具的工作表面對主機工作臺面的最大距離和最小距離、工作臺尺寸等。第四，各工藝動作的速度。第五，機器外形尺寸、總功率和總重量。 本設計為2000KN四柱式通用液壓機，其主要技術規(guī)格為： （1） 公稱壓力 2000KN （2） 液體最大工作壓力 25MPa （3） 回程壓力 400KN （4） 頂出壓力 250KN （5） 拉伸時壓邊壓力 210KN （6） 工作臺距地面高度 500mm （7） 活動橫梁下平面距工作臺面最大距離 1120mm （8） 活動橫梁最大行程 710mm （9） 頂出缸距工作臺面最大距離 295mm （10） 頂出活塞最大行程 200mm （11） 工作臺有效面積（前后×左右） 900×900mm （12） 活動橫梁行程速度 空載下行程 100mm/s 加壓慢速行程 12mm/s 回程最大 55mm/s （13） 頂出活塞行程速度 回程最大 90mm/s 頂出最大 40mm/s （14） 主機輪廓尺寸 左右 1240mm 前后 900mm 地面以上高度 3950mm （15） 機器占地面積 左右 2615mm 前后 2120mm 地面以上高度 3950mm （16） 總功率 22.75kw 2.2 上橫梁結構的設計 2.2.1 結構形式 上橫梁位于立柱上部，用于安裝工作缸，承受工作缸的反作用力，亦可安裝回程缸及其他輔助裝置。 對于中小型液壓機，其結構形式有：鑄造及焊接兩種。 本設計為2000KN四柱式通用液壓機，上橫梁采用鑄造結構，材料為HT200，其結構形式如圖2-1所示。 不論采用鑄造或焊接形式的上橫梁，都應進行必要的熱處理，消除其內應力。 上橫梁結構無論采用鑄造或是焊接形式，都應盡可能設計成上、下封閉的箱式結構，以便受力后使應力分布較合理。此外，結構設計應考慮到起重和清砂的方便。上橫梁斷面分布應根據其受力情況來考慮，一般梁的中部高度較兩端稍高。在立柱中心距較小時，為了便于加工，常設計成等高粱。與立柱聯接部位的高度，雖受力較小。一般也不小于中間高度的二分之一。 圖2-1 鑄造上橫梁結構圖 2.2.2 形狀尺寸要求 上橫梁通過立柱聯接成機身上半部，并安裝工作油缸。為使其組成的空間合乎要求，以及活塞運行平穩(wěn)，因此要求上橫梁安裝油缸孔的軸線與安裝油缸的臺肩平面應垂直，上橫梁與調節(jié)螺母接觸面與主油缸臺肩接觸應平行，以及立柱穿過孔的上下平面應平行等等。結合生成情況，具體要求為： （1） 安裝主油缸孔的軸線與油缸臺肩的貼合平面不垂直度可允差≤0.06/1000mm。 （2） 調節(jié)螺母的接觸平面與油缸臺肩的貼合平面不平行度可允差≤0.05/1000mm。 （3） 鎖緊螺母接觸面與調節(jié)螺母接觸面（立柱穿過孔的上平面與下平面）間不平度可允差≤0.16/1000mm。 （4） 油缸鎖緊螺母平面與油缸臺肩貼合平面間不平行度可允差≤0.12/1000mm。 （5） 與油缸外圓配合公差為H8/f9,或高于此級。 （6） 立柱孔尺寸一般比立柱插入端直徑大1～2mm。 2.2.3 上橫梁與工作缸的聯接方式 上橫梁與油缸聯接方式常見有以下兩種： 圖2-2 用圓螺母固定的結構 圖2-3 用法蘭盤固定的結構 （1）依靠圓螺母固定油缸。如圖2-2，上橫梁1，油缸2，圓螺母3。油缸外圓與上橫梁定位孔配合一般選用D4/dc4，利用圓螺母將油缸緊固于上橫梁上。 （2）利用法蘭盤固定油缸。如圖2-3，上橫梁1，油缸2，法蘭盤3，雙頭螺栓4，螺母5。與上一種方法相似，用法蘭盤及螺栓螺母代替圓螺母。 上述兩種方法都是采用聯接零件來固定油缸的位置。當油缸加壓時，油缸臺肩傳遞反作用力于橫梁，聯接零件（圓螺母或法蘭盤）不受反作用力的作用，只有當油缸回程工作時，回程力作用于聯接零件上。故聯接零件的強度只需滿足回程力要求即可。油缸為柱塞式時，聯接零件只承受部件的重量。 除了上述兩種固定方法外，還可采用上橫梁與油缸鑄成一整體的形式。 2.3 工作臺結構的設計 2.3.1 結構形式 工作臺是主機的安裝基礎，臺面上固定模具，工作中承受機器本體的重量及全部載荷。亦可安裝頂出缸，回程缸及其他輔助裝置。 圖2-4 鑄造工作臺結構圖 工作臺所選材料以及其結構形式和上橫梁相同。本設計為2000KN四柱式通用液壓機之工作臺，采用鑄造結構，材料選用HT20-40。中間的臺階孔為安裝頂出缸用，其結構如圖2-4所示。 2.3.2 加工技術要求 工作臺是整機的基礎性零件，是安裝模具的基準。此外，在工作臺上還要安裝頂出缸和其他零部件。因此，對工作臺面的不平度、各部件安裝定位基面均應有必要的技術要求。根據生產情況，具體要求為： （1） 工作臺臺面不平直度，按JB293-73標準允差≤0.05/1000mm。 （2） 安裝頂出缸孔的軸線與頂出缸臺肩貼合平面間不平行度允差小于0.03/300mm。 （3） 頂出油缸臺肩之貼合面與工作臺面間不平行度允差小于0.05/300mm。 （4） 立柱鎖緊螺母之貼合平面與工作臺臺面間不平行度允差小于0.16/300mm。 （5） 立柱孔尺寸一般比立柱插入端直徑大1mm左右。 2.3.3 工作臺與頂出缸的聯接方式 圖2-5 工作臺與頂出缸聯接方式 對于中小型通用液壓機，一般來說頂出力不大。常采用的結構如圖2-5。工作臺1，頂出缸2，螺母3，頂出缸結構采用活塞式。此結構優(yōu)點為結構簡單，安裝方便。缺點為頂出力集中于頂出活塞端面的很小面積內，因此對較大制件的頂出不方便。 2.3.4 固定模具的結構 為了固定模具，一般情況在工作臺面上設有T型槽，按GB158-59標準尺寸進行加工。用于中小型液壓機的T型槽型式尺寸見表2-1。 表2-1 T型槽（GB158-59） （mm） 注 1.盡可能不采用括號內的尺寸。 2.“a”尺寸公差根據用途可按D1、D4、D6或自由公差選取。 3.“a”兩邊光潔度按采用精度等級決定，其余均按▽3加工。 4.可做成帶有鑄造后不加工的槽。 （a）交叉布置 （b）平行布置 圖2-6 T型槽布置圖 T型槽的尺寸和數量主要根據液壓機回程噸位（即加壓制件后的拔模力）和頂出制件的最大壓力設計。對于尺寸較小的工作臺，T型槽常用交叉布置（圖2-6a），尺寸較大的工作臺的T型槽，常采用平行布置（圖2-6b）。 2.4 立柱 立柱是四柱式液壓機重要的支承件和受力件，同時又是活動橫梁的導向基準。因此，立柱應有足夠的強度與剛度，導向表面應有足夠的精度、光潔度和必要的硬度。 2.4.1 結構形式 （a） （b） （c） （d） 圖2-7 立柱結構形式 立柱與上橫梁、工作臺的聯接方式是表明立柱結構的主要特征。在選擇立柱結構時，應考慮到它與上橫梁、工作臺間應可靠預緊、安裝方便和便于調整機器的精度。 常用結構形式有： （1） 兩梁都用立柱臺肩支承，用鎖緊螺母上下加以鎖緊。（圖2-7a） （2） 兩梁都用調節(jié)螺母支承，用鎖緊螺母上下加以鎖緊。（圖2-7b） （3） 上橫梁用立柱肩支承，調節(jié)螺母安裝于工作臺面上，兩端用鎖緊螺母鎖緊。（圖2-7c） （4） 上橫梁用立柱臺調節(jié)螺母支承，立柱肩臺支持在工作臺面上，兩端用鎖緊螺母鎖緊。（圖2-7d） 上述結構可以看出：第一種結構中，上橫梁與工作臺間距由立柱臺肩尺寸來保證。因此，結構簡單，裝配方便。但裝配后機器精度不能調整，預緊也較困難。因此，僅在無活動橫梁又無精度要求的小型簡易液壓機設計時采用。第二種結構組成零件最多。由于調節(jié)螺母起立柱臺肩的支承作用，且可調整兩梁的支承距離，對立柱有關軸向尺寸要求不嚴格，緊固較容易。但對立柱螺紋精度以及調節(jié)螺母精度要求較高，機器精度調整較麻煩。第三及第四種結構基本相同，精度調整和加工也不很復雜，但總裝后立柱預緊不如第二種方便。本設計采用第四種結構，加工情況與第三種相同，但精度調整較第三種簡便可靠。 2.4.2 形狀尺寸要求 立柱為液壓機的重要零件，是活動橫梁的導向基準。結合生產情況具體要求為： （1） 立柱導向面表面粗糙度為Ra0.4μm。 （2） 立柱導向面錐度及橢圓度不大于公差之半。 （3） 立柱導向面軸線不平直度允差不大于0.05/1000mm。 （4） 與工作臺貼合之端面對立柱導向表面之跳動量允差不大于0.05mm。 （5） 材料一般選用35或45鋼。毛坯應正火處理，消除鍛造過程的內應力。 （6） 立柱導向表面有條件應進行熱處理，表面硬度不低于HRC45，也可進行表面鍍硬鉻處理，鍍層厚度為0.02～0.04mm。 2.5 充液閥 充液閥實質上是可控單向閥的一種。現代液壓機為了提高生產率或熱壓成型時減少工件的溫降，要求有較快的空程速度和回程速度，往往是壓制速度的幾十倍。 對于中小型液壓機，若運動部件重量較小時，采用快速油缸是減少功率的有效措施之一?？焖儆透撞糠?，由油泵直接供油，而外缸同樣需依靠充液閥來吸油補充其不足。充液閥按其工作原理可分為常開式及常閉式兩種，中小型液壓機一般均采用常閉式結構。 2.5.1 充液閥工作原理 充液閥的作用有兩個，如圖2-8。第一，當活動橫梁自重下行時，油缸上腔產生真空，吸開充液閥，油箱之油液通過充液閥大量流入主缸上腔，填充其不足。第二，當活動橫梁快速回程時，油缸上腔之油液通過充液閥迅速排入油箱。 圖2-8 充液閥原理圖 圖2-9 立式充液閥結構原理 圖2-8是充液閥的典型結構形式。它是常閉的自動開啟式的，具有很大的閥徑，采用蕈形閥和雙彈簧結構，質量小，慣性小，動作靈活可靠。這種充液閥裝在缸底，并整個浸在充液箱的油中。活動橫梁下行時，缸內產生真空，在大氣壓力的作用下，克服小彈簧的力量，但單向閥開啟，油箱的油大量充入油缸。當活動橫梁減速及加壓時，缸內真空度消失，小彈簧使單向閥自動關閉，這時，壓力油推動活塞完成工作行程及加壓行程。單向閥在高壓下緊緊關閉，防止主缸高壓油泄漏?；爻虝r，接操縱油壓p，推動控制活塞，克服大彈簧的力量推動單向閥，當油缸泄壓后，單向閥被頂開，油缸內油液通過單向閥迅速排回充液箱，實現回程動作。 2.5.2 充液閥的結構形式 圖2-9為立式充液閥結構，上述充液閥無泄壓裝置，因此，在充液閥排油時都必須使油缸先泄壓，即需外加泄壓裝置。本設計為2000KN四柱式通用液壓機，使用立式無泄壓裝置的充液閥，采用QF1預泄換向閥泄壓。也可采用其他元件泄壓。 帶泄壓閥的充液閥特點是將上述兩作用合并在一起，在充液閥本身增加泄壓元件。 2.6 工作缸 液壓缸是液壓機的主要部件之一，其作用是將液體的壓力能轉換為機械功，即在高壓液體的作用下，推動活塞（或柱塞）使活動橫梁下行，并將液體壓力經活動橫梁傳到工件上，使工件產生變形。 2.6.1 結構形式 液壓機上所用的液壓缸基本上都是高壓缸。按其結構的不同可分為柱塞式、活塞式和雙頭柱塞式。實際使用中采用何種結構要根據液壓機的總體結構、缸的總壓力及行程大小、液壓機的工作條件及生產廠的制造能力等因素綜合確定。 柱塞式液壓缸的基本結構如圖2-10所示。是一種單作用液壓缸，只能從一個方向加壓，當高壓液體從進油口輸入時，在液體壓力作用下柱塞被向外推出進行工作，此時柱塞2在導套3內運動，導套起導向作用，4為密封，用以保持液體壓力，防止高壓液體泄漏，密封下有壓套5、法蘭6及螺柱螺母8、9等零件組成，它們主要起支承密封的作用。由于柱塞式液壓缸是單作用的，反向運動要靠另外的回程缸實現，只有在上移式液壓缸中可以靠運動部件本身的重量回程。 柱塞式液壓缸的內壁與柱塞不接觸（鍛造缸間隙為10～15mm，鑄造缸為20～30mm）。這樣，出了安裝導套和密封部分外，內壁其余部分可以粗加工甚至不加工，液壓缸的加工可大為簡化（尤其是對直徑或行程較長的缸），因此，柱塞式液壓缸廣泛應用于大中型液壓機上。 圖2-10 柱塞式液壓缸結構形式 2.6.2 設計尺寸 2.6.2.1 主要尺寸的確定 液壓缸內徑可按下式計算： (2-1) 公稱壓力F=2000KN,液體最大工作壓力p=25MPa。將上述數據帶入式（2-1）可得 根據附表1，將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑D=320mm。 活塞桿直徑d按及附表2活塞桿外徑直徑系列，圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封元件。本設計選取d=280mm.。 按下式計算液壓缸外徑： （2-2） 當工作油壓p已知時，可按，計算缸筒的外徑，即D1=1.4D，代入數據可得D1=420mm。 2.6.2.2 缸底厚度計算 液壓缸缸底為帶孔的平底，按下式計算： （2-3） 將數據帶入式（2-3）可得 2.6.2.3 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度，可根據執(zhí)行機構實際工作的最大行程來確定，并參照附表3中的系列尺寸選取標準值，L=500mm。 2.6.2.4 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求可用下式進行近似計算。 有孔時： （2-4） 式中t—缸蓋有效厚度，m； D2—缸蓋止口內徑，m； d0—缸蓋孔的直徑，m； py—實驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍,Mpa。 將數據帶入式（2-4）可得 2.6.2.5 液壓缸最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點的距離H稱為最小導向長度（圖2-11）。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。 圖2-11 液壓缸的導向長度 對一般液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求： (2-5) 式中 L—液壓缸的最大行程； D—液壓缸的內徑。 將數據帶入式（2-5）可得 活塞的寬度B一般取為(0.6～1.0)D；缸蓋的導向長度L1，根據液壓缸內徑D而定。當D＜80mm時，取L1=(0.6～1.0)D；當D＞80mm時，取L1=(0.6～1.0)d。 2.6.2.6 缸體長度（高度）的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體不應大于內徑的20～30倍。 2.7 活動橫梁結構的設計 圖2-12 活動橫梁結構圖 活動橫梁的主要作用為：與主油缸活塞桿聯接傳遞液壓機的壓力；通過導向套沿立柱導向面上下往復運動；安裝與固定模具及規(guī)矩等。因此需要有較好的強度、剛度及導向結構。 2.7.1 結構形式 活動橫梁選用的材料與上橫梁、工作臺相同，常采用同樣的材料來制造，以使毛坯的制造工藝相類似，便于制造。 根據壓制工藝性質，若活動橫梁無論在何種情況下都無彎曲，例如：粉末冶金液壓機或軸類零件壓裝專用液壓機，計算時就可以僅按承壓能力來設計。因此，活動橫梁常是上面敞開的箱形梁，中部高度也可設計較低。 鑄件應將壁厚設計均勻，開有環(huán)形的集油槽，以便貯存油缸缸口部漏滲的油液，其結構如圖2-12所示。 2.7.2 加工技術要求 鑄件應將壁厚設計均勻，防止應力集中，設計必要的加強筋，并便于清砂及起重要求。材料選用HT200，鑄件在加工前，應退火處理，消除內應力。鑄件外觀表面不得有凹凸現象，必須保證鑄件輪廓的弧線、直線和平面；鑄件不得有影響質量的氣孔、裂紋等缺陷，冒口處要鏟除磨平；鑄件必須清理凈型砂，非加工面一律涂上紅色防銹漆。 2.7.3 形狀和尺寸要求 活動橫梁是液壓機主要運動部件，為保證液壓機符合精度要求，因此，要求四立柱導向套孔軸線應相互平行，它應與聯接活塞桿孔的中心線平行；上述這些孔軸線都應與活動橫梁下平面相垂直；與活塞桿接觸平面對下平面亦要求平行等。結合生產氣孔具體要求為： （1）聯接活塞桿孔軸線與四立柱孔軸應互相平行，其不平度允差不大于0.10/1000mm。 （2）活動橫梁下平面不平直度，按JB1293-73標準允差為≤0.05/1000mm。 （3）聯接活塞桿孔軸線與四立柱孔軸線對下平面不垂直度允差≤0.06～0.10/1000mm。 （4）下平面對上平面不平行度允差≤0.06/1000mm。 （5）四立柱孔中心距公差，前后、左右均為≤0.20mm，對角線上孔間距公差按下式計算求出： （2-6） 式中 —對角線上孔間距及公差，mm。 —左右方向上孔間距及公差，mm。 —前后方向上孔間距及公差，mm。 （6） 四立柱孔與導套外圓配合精度D3/gd，中心孔與活塞桿外圓配合精度D4/dc。 2.8 本章小結 本章主要介紹了液壓機本體結構的設計，對上橫梁、工作臺、活動橫梁、立柱以及工作缸等地結構形式和形狀尺寸要求等進行了簡要的介紹。 第3章 液壓機的強度與剛度計算 3.1 工作缸的強度計算 根據第2章的設計計算，可知主油缸的外徑D1=420mm，油缸內徑D=320mm，活塞桿直徑d=280mm。 其實際工作壓力為：主壓力P=0.785p(N),回程壓力P回=0.785（）p(N),p為液體工作壓力（MPa）,本設計中選用的p為250MPa。 根據結構尺寸，得： 主壓力： 回程壓力： 3.1.1 缸體的強度計算 3.1.1.1 中段強度 缸體材料選用35鍛鋼，應用第四強度理論進行計算。 =100～120MPa 式中符號尺寸見圖3-1 3.1.1.2 支承臺肩處強度計算 1.支承臺肩結構見圖3-2，其接觸面擠壓應力： 式中： []—許用擠壓應力（MPa） []≤120MPa 圖3-1 油缸結構圖 圖3-2 油缸支承臺肩處尺寸 2.從圖3-2可見，臺肩處斷面上的合成應力為彎曲應力與拉伸應力之和。即 式中： T= h=20mm h1==52.5mm —材料波松比系數。 鋼：=0.3；鑄鐵：=0.25 得： 代入數據，可求出Ma： =16KN ＜[] 3.1.1.3 缸底強度計算 缸底結構如圖3-3，按圓形平板彎曲計算： 圖3-3 缸底結構尺寸 圖3-4 缸口結構 式中： p=25MPa D=320mm B=110mm ∵D1=120mm D2=20mm ∴=0.78 代入上式，可得： ＜[] 3.1.2 缸口部分的強度計算 3.1.2.1 作用在缸口導套及法蘭盤上的力 KN 式中符號見圖3-4，尺寸為： D1=320mm d=280mm KN 3.1.2.2 螺栓計算 螺栓選用12個M30的沉頭螺栓，材料為45鋼，M30的螺紋內徑為d內=26.2。螺栓拉伸應力為： 式中： n—螺栓數目 n=12 F1—螺栓截面積（mm） F1=0.785 []—許用拉伸應力 對大于M12螺栓 []≤120MPa 對小于M12螺栓 []≤100MPa ＜[] 3.1.2.3 缸口導套擠壓計算 缸口導套材料選用HT20-40，導套擠壓應力為： 式中符號見圖3-4，尺寸為： D1=320mm D2=305mm 帶入數據，可得： ＜[] 3.1.2.4 法蘭盤計算 法蘭材料選用35鋼，故彎曲應力： 式中符號見圖3-4，尺寸為： D3=340mm Dcp==315mm D4=480mm d0=32mm H=65mm 代入數據，可得 ＜[彎] 3.2 活塞部分的強度計算 活塞桿材料為35鋼，活塞桿直徑為280mm，長度≈2000mm，長徑比值≈7。在加壓過程中活塞僅受壓，面積較大。故對其擠壓及穩(wěn)定性可略去不計。 3.2.1 活塞頭部導向套計算 圖3-5 活塞頭部結構 導套材料為HT20-40，活塞頭部結構見圖3-5。導套擠壓應力為： 式中符號見圖3-5，尺寸為： d=280mm d1=200mm S=2mm S2=3mm []—許用擠壓應力MPa []=1000MPa 代入數據，可得 ＜[] 3.2.2 活塞頭部鎖母螺紋應力計算 鎖母螺紋所受的力 （KN） 式中符號見圖3-5，尺寸為： D=320mm d1=200mm 帶入數據，可得 螺紋剪切應力： 螺紋彎曲應力： 式中 螺紋選取為M280×4 d中—螺紋中徑（mm）, d中=277.4mm； D內—螺紋內徑（mm）, d內=274.8mm； b—螺紋長度（mm）, b=56mm； t—螺距（mm）, t=4mm； h—螺紋高度（mm）, h=25.9mm； k—螺紋完滿系數，對三角形螺紋取k=0.81。 代入數據，可得 ＜ ＜ 3.2.3 活塞與活動橫梁端面擠壓應力 活動橫梁材料選用HT20-40，取許用擠壓應力[]=100MPa。得： 圖3-6 活塞與活動橫梁聯接圖 式中各符號見圖3-6，尺寸為： d=280mm S=5mm d4=125mm S4=3mm 代入數據，可得 ＜[] 3.2.4 活塞與活動橫梁聯接螺母計算 螺紋剪切應力： 螺紋彎曲應力： 式中各符號尺寸為： 螺紋選取M150×4故： 螺紋內徑 螺紋高度h==2.6mm 式中 b—螺紋長度（mm）, b=85mm； t—螺距（mm）, t=4mm； K—螺紋完滿系數，三角形螺紋取K=0.81； P回—回程噸位（KN）, P回=462KN。 代入數據，可得 ＜ ＜ 3.3 上橫梁結構的強度與剛度計算 3.3.1 受力分析 上橫梁可視為受兩集中力，兩端支承的簡支梁。圖3-7所示受力圖及剪力彎矩圖。其中： P—公稱壓力（KN），P=2000KN； D—油缸臺肩尺寸（mm），D=480mm； B—立柱中心距（mm）， B=1000mm； 在主截面（Ⅰ—Ⅰ）所受彎矩： （a）Ⅰ—Ⅰ截面 （b）Ⅰ—Ⅰ等量簡化截面 圖3-7 上橫梁受力圖 圖3-8 與橫梁Ⅰ—Ⅰ截面及簡化截面 Ⅰ—Ⅰ截面剪力： 3.3.2 主截面（Ⅰ—Ⅰ）強度計算 表3-1 主截面（Ⅰ─Ⅰ）強度參數 序 號 截面寬度 (mm) 截面高度 （mm） 截面積 （mm） 面積重心至X軸距離 (mm) 截面對X軸的靜面矩 （mm） 截面矩與面積重心至X軸距離乘積（mm） 各截面積的慣性矩 （mm） 1 100 10 100 505 50500 25502500 8333.33 2 430 60 2580 470 1212600 569922000 7740000 3 210 30 630 425 267750 113793750 472500 4 190 180 3420 330 1128600 372438000 92340000 5 210 90 1890 195 368550 71867250 12757500 6 160 80 1280 110 140800 15488000 6826666.67 7 200 20 400 60 24000 1440000 133333.33 8 420 40 1680 30 50400 1512000 2240000 9 110 10 110 5 550 2750 9166.67 總計 510 11090 3243750 1171966250 122527500 H 重心至X軸距離： 截面對X軸的慣性矩： 截面對X軸（形心軸）的慣性矩： 在受壓截面上彎曲應力： 在受拉截面上彎曲應力： 由計算得在主截面（Ⅰ—Ⅰ）上彎曲應力小于許用應力。 3.3.3 主截面（Ⅱ—Ⅱ）強度計算 根據材料力學可知斷面抗剪切力主要由立柱承受，故可按簡化截面——矩形（見圖3-9b）來計算。其最大應力在中心橫斷面。 (a)Ⅱ—Ⅱ截面 （b）Ⅱ—Ⅱ等量簡化截面 圖3-9 Ⅱ—Ⅱ截面及其簡化截面 式中： Q—Ⅱ—Ⅱ截面剪切力（KN） B—簡化截面寬度（mm） B=25mm H—簡化截面高度（mm） H=480mm ＜ 3.4 本章小結 本章主要是介紹液壓機強度與剛度的計算，通過受力分析，對工作缸、活塞部分以及上橫梁進行強度計算并對其進行校核，這是本次液壓機設計的基本保障，通過校核完全符合要求，這說明液壓機的設計是合理的。 附錄一 四柱式萬能液壓機精度（JB1293-73） 1.本標準適用于四柱式萬能液壓機。 2.偏差須按允差欄內所列的規(guī)定長度測量。當實際可測量的長度超過規(guī)定時，不能推算，允差不變；小于規(guī)定時，允差按可能測量的最大長度折算。折算結果，其微米位數小于5以5計，超過5不足10以10計；但總允差值小于0.01mm，則仍以0.0mm計。 3.工作臺面是液壓機的檢驗基準面。 4.工作臺板必須符合下列允差： （1）上平面和下平面的不平度允差